本工程中的围岩主要由粉质黏土、变质砂岩、花岗片麻岩及混合花岗岩等构成,经过现场注水与抽水试验,测得其渗透系数集中在0.06～0.25 m/d,波动范围较大。因此,试验中围岩相似材料拟采用渗透系数较小的黏土和渗透系数较大的细砂进行配比,并适当添加弹性系数和抗拉强度较高而吸水性小的玻璃纤维,以增强其粘聚力,避免配制的围岩遇水形成贯通裂缝,使渗透更为均匀(见图4.3)。
图4.3 围岩相似材料的基本成分
考虑本次试验材料以细粒土为主且渗透系数总体较小,采用变水头试验仪(见图4.4),试样配制过程及渗透系数测试主要步骤如下(见图4.5):
①将黏土和细砂筛分成不同粒径的颗粒,放入干燥箱8 h后测试其密度、含水率和干密度。
②按试验需求将不同配比的黏土、细砂和玻璃纤维严格按照比例称取,并加水混合搅拌均匀,配制完成后用隔离膜密封24 h,放置于常温室内使试样充分饱和。
③渗流试验前,在变水头试验仪的套筒内壁涂一层凡士林,将装有试样的环刀装入仪器中并压紧止水垫圈,对黏土比例较大且不易透水的试样,进行抽气饱和。
④改变变水头管中的水位高度,待水位稳定后再记录水头变化值、时间和温度,重复试验3～5次,至不同初始水头下测试的渗透系数在允许的误差范围之内,试验终止。
图4.4 变水头试验仪及测试装置
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图4.5 试样配制及试验步骤
变水头计算渗透系数采用式(4.5)计算,温度修正可查阅《土工试验规程》(SL 237—1999)[132],即
式中,KT为计算渗透系数;a为变水头管的断面面积;2.3为ln和lg的变换因数;L为渗流路径(试样高度);t1,t2为测读水头的起始和终止时间;h1,h2为起始和终止水头;A为试样过水面积。
通过对单一原料在不同粒径下的多次渗透系数测试可知:
黏土:粒径≤0.075 mm的平均渗透系数为0.001 9 m/d;粒径≤0.15 mm的平均渗透系数为0.002 3 m/d;粒径≤0.3 mm的平均渗透系数为0.003 2 m/d。
细砂:粒径≤0.15 mm的平均渗透系数为0.205 6 m/d;粒径≤0.3 mm的平均渗透系数为0.548 2 m/d;粒径≤0.6 mm的平均渗透系数为0.757 4 m/d。
可见,试样粒径对渗透系数的影响较大,而细砂在相同级配变化下的渗透系数增长幅度远大于黏土,即可通过配比不同级配的黏土和细砂研制出满足工程实际需求的围岩相似材料[133-134]。
图4.6中所用黏土粒径≤0.075 mm,细砂粒径≤0.3 mm。由试验结果可知,随着细砂含量加大,相似材料的渗透系数呈非线性增长,初始增速较快,表明细砂会大幅削弱黏土的致密性,以提高其渗透能力。当黏土和细砂质量比超过1∶1.8时,渗透系数增速逐渐减缓,但单次渗透系数离散性增大,表明过大的细砂比例会减弱相似材料的稳定性。当黏土和细砂比例达到1∶3时,平均渗透系数变化趋于收敛,此时渗透系数为0.236 6 m/d。此外,试验在相同配比的相似材料中增加玻璃纤维的含量,其渗透系数并无明显改变,黏土∶细砂∶玻璃纤维(质量比)=1∶3∶0.05时,平均渗透系数为0.233 4 m/d。
图4.6 围岩相似材料渗透系数影响曲线
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